環(huán)境風(fēng)影響下空冷系統(tǒng)換熱特性數(shù)值模擬

馮 祥，安恩科，張瀏駿

(同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

0 引言

隨著世界范圍內(nèi)水資源的日益匱乏以及環(huán)境問題的日益突出，傳統(tǒng)濕冷火電機組面臨嚴(yán)峻考驗［1］。我國的北方地區(qū)“富煤缺水”，煤炭資源轉(zhuǎn)化為電能困難。由于空冷機組比常規(guī)濕冷機組節(jié)約65%以上的耗水，因而近年來被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的大型火電建設(shè)中。在空冷系統(tǒng)中，汽輪機排出的乏汽由空冷凝汽器進(jìn)行冷凝，空氣作為冷卻介質(zhì)，通過軸流風(fēng)機鼓風(fēng)冷卻，環(huán)境風(fēng)場的變化會顯著影響到直接空冷系統(tǒng)的運行特性［2］。

關(guān)于空冷系統(tǒng)受環(huán)境風(fēng)影響問題，國外已經(jīng)開展了一些研究工作，最早研究氣候條件對直接空冷系統(tǒng)影響的是Martin P.van Staden［3］，他采用數(shù)值方法模擬了環(huán)境風(fēng)對Matimba電站直接空冷系統(tǒng)的影響，并得到了空冷系統(tǒng)周圍的速度場和溫度場。北京大學(xué)的顧志福等人對某電廠直接空冷系統(tǒng)進(jìn)行了風(fēng)洞模擬實驗，通過試驗給出了不同風(fēng)速和風(fēng)向?qū)绽湎到y(tǒng)總回流率的影響規(guī)律［4～6］。結(jié)果表明，空冷系統(tǒng)的總回流率對風(fēng)速和風(fēng)向頗為敏感，并且來流沿正對主廠房附近的方向吹過空冷平臺時總回流率較大。趙文升等對直接空冷系統(tǒng)中的熱風(fēng)回流現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了熱風(fēng)回流產(chǎn)生的原因以及對空冷機組產(chǎn)生的影響［7］。杜小澤等對空冷島在不同環(huán)境風(fēng)條件下的流動傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明爐后來風(fēng)為最不利風(fēng)向，熱風(fēng)回流最為嚴(yán)重［8］。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合某2×300 MW空冷機組空冷島和其他建筑的平面布局，重點研究了不同爐后風(fēng)速下空冷系統(tǒng)的換熱特性，可為空冷系統(tǒng)的優(yōu)化運行提供理論參考。

1 空冷島物理模型及網(wǎng)格劃分

2×300 MW直接空冷機組空冷島和主要建筑物如鍋爐房、汽機房等的平面布局如圖1(a)所示，直接空冷島由5(行)×12(列)共60個直接空冷單元組成，安裝在35 m高的平臺上，尺寸為138.3 m ×57.2 m×12.6 m，擋風(fēng)墻高度為12.6 m，由于需要考慮環(huán)境因素的影響，尤其是風(fēng)速、風(fēng)向等對空冷島冷卻空氣流場、溫度場的影響，因此該物理模型需要把比空冷島等主要建筑物更大的區(qū)域作為數(shù)值模擬的對象，在對空冷島和其他建筑物進(jìn)行合理簡化處理前提下，整個數(shù)值模擬的計算區(qū)域如圖1(b)所示。為保證計算精度，盡量減小計算區(qū)域，設(shè)定整個計算區(qū)域尺寸長、寬、高分別為600 m、500 m、300 m。由于支撐柱占空冷島下方區(qū)域較小空間，忽略其對流場產(chǎn)生的影響。

圖1 直接空冷電站空冷島及主廠房示意圖和數(shù)值模擬計算域示意圖

本文采取分塊劃分網(wǎng)格方法，將計算區(qū)域分為多個子區(qū)域，空冷島區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，其余計算區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，保證計算精度的同時也減小了計算量。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到180 W后，數(shù)值計算網(wǎng)格數(shù)量已達(dá)網(wǎng)格無關(guān)性要求，最后計算的網(wǎng)格單元數(shù)取定為300 W。

2 空冷島數(shù)學(xué)模型

空冷系統(tǒng)換熱特性數(shù)值模擬的是一個復(fù)雜流動換熱過程，采用SIMPLE算法，選取標(biāo)準(zhǔn)k－ε湍流模型，控制方程包含:連續(xù)性方程、能量方程、動量方程、湍動能方程、湍動能耗散方程。采用多孔介質(zhì)模型處理空氣和翅片管束之間的換熱過程，多孔介質(zhì)模型將流經(jīng)模型空間的流動阻力看作動量控制方程的源項，包括粘性損失項和慣性損失項，根據(jù)已知參數(shù)計算出粘性、慣性阻力系數(shù)以及孔隙率。

計算區(qū)域迎風(fēng)面設(shè)置為速度入口邊界條件，選用指數(shù)風(fēng)速廓線分布規(guī)律，由于一般氣象站都會觀測10 m高度位置的風(fēng)速，因此迎風(fēng)面上的速度分布由下式確定

式中 u10——表示距離地面10 m高處的風(fēng)速;

z——所求位置高度。

冪指數(shù)a為地面粗糙度和氣溫層穩(wěn)定度的函數(shù)，在本模擬中取為0.2，此邊界條件利用UDF編程加載。在迎風(fēng)面相對的面上，取為出流邊界條件，計算區(qū)域其他面取為對稱邊界條件，地面設(shè)置為定壁溫邊界條件。汽機房、鍋爐房壁面根據(jù)熱負(fù)荷給定等熱流邊界條件。空冷島區(qū)域底面設(shè)置為風(fēng)機條件，靜壓根據(jù)風(fēng)機性能曲線設(shè)定。通過風(fēng)機的靜壓變化Δp可表示為風(fēng)機軸向流速的多項式函數(shù)

式中 fn——多項式系數(shù);

υ——風(fēng)機平面法向的當(dāng)?shù)亓黧w速度。

根據(jù)風(fēng)機特性曲線擬合得到的靜壓變化Δp與風(fēng)機軸向流速υ間的關(guān)系:

3 評價標(biāo)準(zhǔn)

熱風(fēng)回流現(xiàn)象是指空冷凝汽器排出的熱空氣又重新返回到風(fēng)機吸入口而導(dǎo)致直接空冷凝器入口空氣溫度升高的現(xiàn)象，通常用熱風(fēng)回流率加以描述。熱風(fēng)回流率可用如下公式表示［9］

式中 Ti——風(fēng)機入口處平均溫度/℃;

T0——環(huán)境溫度/℃，(本文中環(huán)境溫度T0= 34℃);

T——空冷凝汽器出口溫度/℃。

可以看出，當(dāng)凝汽器沒有任何熱空氣回流時，凝汽器入口處空氣溫度Ti等于環(huán)境溫度T0，此時回流率為0，空冷凝汽器換熱效果最佳;當(dāng)凝汽器入口空氣溫度Ti等于空冷凝汽器出口溫度T時，表明凝汽器加熱過的熱空氣完全回到了風(fēng)機入口處，此時空冷凝汽器已無換熱能力，熱風(fēng)回流率為1。

4 計算結(jié)果與分析

本文模擬了爐后風(fēng)速分別取0 m/s、2 m/s、4 m/ s、6m/s、8 m/s、10 m/s、12 m/s、14 m/s八個工況下空冷島系統(tǒng)的換熱特性。

爐后風(fēng)速與空冷島空氣流量的關(guān)系如圖2所示，可以看出，隨著爐后風(fēng)速的增加，整個空冷島的空氣流量不斷減小。這是因為爐后風(fēng)來流受鍋爐房和汽機房等建筑物遮擋，來流經(jīng)擋風(fēng)墻的作用，沖向空冷島平臺下方，在風(fēng)機入口形成漩渦，影響了風(fēng)機的正常工作，導(dǎo)致風(fēng)機入口進(jìn)風(fēng)量減小，且這種影響隨著風(fēng)速的增大而愈加明顯。圖3為風(fēng)速為8 m/s時，直接空冷島的各空冷單元風(fēng)機空氣流量分布，可以看出，空冷島兩端區(qū)域空冷單元風(fēng)機的空氣流量受爐后風(fēng)影響最為明顯，中間區(qū)域受到的影響則較小，空冷島風(fēng)場上游區(qū)域空冷單元空氣流量明顯減小，且分布不均勻，風(fēng)場下游區(qū)域流量分布則較為均勻。

圖2 爐后風(fēng)速與空冷島空氣流量的關(guān)系

圖3 8 m/s時空冷島各單元風(fēng)機空氣流量

爐后風(fēng)速與空冷島熱風(fēng)回流率的關(guān)系如圖4所示，可以看出，隨著爐后風(fēng)速的增加，空冷島的熱風(fēng)回流率先不斷增大，主要原因是風(fēng)速的增加使空冷島熱空氣向上的擴散受到限制而向下回流，熱風(fēng)回流率也隨之增加，風(fēng)速為10 m/s左右時，熱風(fēng)回流率達(dá)到峰值，此后隨著風(fēng)速的增加，熱風(fēng)回流率隨之減小。這是因為更高的風(fēng)速擁有更高的動壓，可以把空冷島出口的熱空氣沿風(fēng)向方向帶走，而不會被軸流風(fēng)機重新吸回空冷島的進(jìn)口進(jìn)行換熱。圖5為8 m/s時空冷島各單元的熱風(fēng)回流率分布情況，可以看出爐后風(fēng)影響下，靠近汽機房的空冷島風(fēng)場上游區(qū)域熱風(fēng)回流率較高，換熱性能較差;而遠(yuǎn)離汽機房的空冷島風(fēng)場下游區(qū)域熱風(fēng)回流率相對較低，換熱性能良好。

圖4 爐后風(fēng)速與空冷島熱風(fēng)回流率的關(guān)系

圖5 8 m/s時空冷島各單元的熱風(fēng)回流率

爐后風(fēng)速與空冷島換熱量的關(guān)系如圖6所示，可以看出隨著爐后風(fēng)速的增加，空冷島的換熱量先不斷減小，這是由于風(fēng)速增加導(dǎo)致空氣流量減小和熱風(fēng)回流率增加，當(dāng)風(fēng)速約為10 m/s時，換熱量達(dá)到最小。在10 m/s之后，換熱量又隨著風(fēng)速的增加而增加，這是因為在更高爐后風(fēng)速下，隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)機空氣流量雖然仍在不斷減小，但熱風(fēng)回流率卻也隨之降低，且熱風(fēng)回流率對換熱量的影響比風(fēng)機空氣流量大。

圖6 爐后風(fēng)速與空冷島空氣換熱量的關(guān)系

5 結(jié)論

本文對某2×300 MW直接空冷電站空冷系統(tǒng)流動換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，針對不同爐后風(fēng)速，對空冷島的入口空氣流量、熱風(fēng)回流率以及換熱量進(jìn)行了計算分析。計算表明:空冷島入口空氣流量隨著爐后風(fēng)速增加而不斷減小;空冷島兩端空冷單元受爐后風(fēng)影響，空氣流量減小最為明顯，風(fēng)場上游空冷單元入口空氣流量減小也較為明顯，風(fēng)場下游空冷單元所受影響相對較小;隨著爐后風(fēng)速增加，熱風(fēng)回流率先增加而后減小，且在爐后風(fēng)影響下，空冷島各單元熱風(fēng)回流現(xiàn)象表現(xiàn)出明顯的區(qū)域特性，風(fēng)場上游區(qū)域熱風(fēng)回流率高，而風(fēng)場下游區(qū)域熱風(fēng)回流率則相對較低;空冷島換熱量受空氣流量和熱風(fēng)回流率的綜合影響，表現(xiàn)為隨著爐后風(fēng)速的增加，換熱量先減小而后增加。

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